模具型腔精加工及走刀方式探讨

王志富 杨国文

【摘要】数控CNC加工过程的优化涉及切削参数、刀具选择、走刀方式、刀具路径生成等方面。其中关于刀具路径、切削参数的研究较多，关于走刀方式的研究较少。本文主要研究模具型腔精加工工艺及用于精加工的刀具走刀方式，以提高模具型腔精加工质量并降低成本。

【关键词】模具;型腔;走刀方式

随着制造業的不断发展，对用于制造产品的模具要求不断提高。不但要求模具的形状精度和表面质量能够满足要求，还要求模具使用寿命长，特别是为了缩短产品开发周期，需要尽可能地缩短模具交付时间。基于此，传统的模具制造工艺不断改进，快速高效的CNC铣削加工可以提高模具制造质量。借助CNC加工技术和计算机辅助制造等新技术，模具加工迈入计算机辅助制造新阶段。但是，即使是最智能的CAD/CAM系统也只能减少处理过程中的人为干预，而不能完全避免人工干预，仍然需要人工操作自动化设备来调整加工过程，控制加工工艺参数，技术人员必须合理选择加工刀具、切削参数、走刀方式等。精密铣削量相对较小，通常刀具的受力不会超过其承受范围。为了提高效率，可以选择最大进给速度和最大转速。影响铣削性能的因素主要是铣削宽度，即两个相邻刀具路径之间的距离。为了提高加工效率，在确保加工质量的前提下，可以尝试增加切割宽度，这是选择精加工铣削刀具走刀方式的基本依据。

1 刀具的选用

为简化计算量并方便选择工具组合，必须首先在刀具库中筛选刀具。可以在模具型腔加工中使用的刀具称为可用刀具。筛分原理是一种可以在考虑效率和不过切的情况下加工模具型腔中的刀具。选择依据如下

首先，分析分型线轮廓的最大内切圆直径 ，刀具库中最大的直径（小于） 的刀具就是可以选用的最大刀具

其次，模具型腔的最小圆角半径和最小的相对侧距离可以确定最小刀具，以便处理模具型腔的各种特殊部位。最小的刀具应该是小于模具型腔的最小圆角半径和最小的相对侧距离的最大刀具 。

最后，可选用所有直径在 ， 之间的刀具。

2立面、水平面铣削加工

（1）立面上任何点的法线平行于水平面。不管是平面还是沿z轴方向延伸的自由曲线，都可以使用直角立铣刀，通过等高轮廓走刀方式铣削，再垂直进给以继续铣削下一个切削层，以去除半成品余量，提高表面加工质量。在加工中要注意工具臂的伸出是否足够长，为避免刀柄、工件碰撞，刀具的伸出长度需超出加工面深度。然而，超长悬臂的工具变形变大，加工精度误差增大，因此需要根据加工状态、刀具选择伸出长度。

（2）对于垂直于刀具轴线方向的水平面，通常使用高效，高加工质量的直角立铣刀立铣方法。加工中的走刀方式可以基于加工表面的轮廓选择，沿某个方向或圆形方式走刀。

3斜平面铣削加工

可以使用等高轮廓走刀或直角立铣刀沿坡走刀方式进行法向与水平面夹角在0°—90°的自由形面加工，但是，不同的走刀方式具有不同的处理效率和质量。因此，首先要确定选择斜面加工走刀方式的选择依据和残余高度的计算方法，然后分析自由曲面的加工走刀方式的选择。斜平面和水平面之间的夹角θ在0°—90°之间。由于夹角大小不同，所选择的刀具和加工方法也不同。随着夹角θ的增大，为了确保加工质量，铣削宽度变小，铣削效率会降低，铣削宽度相同时，残留高度变大，表面质量会变差。另外，直角铣刀采用沿坡走刀，必须考虑铣刀坡走角约束。因此，当坡度达到一定水平时，该加工方法不再适用，应使用球形刀具。在球形刀具的加工中，尽管靠近球头末端的切削速度接近零，但是在加工后很容易在零件的表面上留下划痕，在低切削速度、高转速的情况下划痕不明显。如果质量要求不是特别高，则仍然可以满足要求。由于球形切削刃的特殊性，无论是沿平面轮廓加工还是等高轮廓加工。切削刃在工作表面法线平面上的投影仍为圆形。从理论上讲，仿形加工、等高轮廓加工的切削性能是相同的，但由于铣刀的力变形影响，当平面略有倾斜时采用沿坡走刀加工方法，否则应使用球刀等高轮廓走刀方式。

4自由曲面铣削加工

4.1 等效半径

对于普通模具来说，它们的型腔的大多数都是自由曲面，自由曲面的铣削加工方法要复杂得多，且自由曲面其余形状应考虑曲率法线的影响。

具有不同曲率的自由曲面的残留高度会有所不同。对于曲率相同的自由曲面，不同的凹凸方向对应的残留高度也是不同的。在分析中，可以运用UG表面分析函数定义表面曲率半径，凹面曲率半径定义为负值，而凸面的曲率半径定义为正值。凹面残留高度和曲面的曲率、刀具半径、切削宽度有关。等效半径即沿坡走刀时，直角立铣刀切削轮廓在法线平面上的投影是椭圆形的，刀具轮廓光滑的一段、刀具的椭圆投影轮廓的短半轴端点、切削轮廓与相邻两侧刀具路径的交点形成的圆的的半径定义为直角立铣刀的等效半径。

4.2走刀方式选择

如果曲面的曲率半径较小，则半径较小的刀具的拟合效果更好。因此，直角立铣刀在小半径区域的加工效果不如具有相同半径的球刀好。两者都使用相同的切削宽度和残留高度，可通过下列公式计算得到临界曲率

凹面：

凸面：

其中， 表示等效半径， 表示曲率半径， 表示切削宽度。曲率半径小于 区域采用半径较小的刀具铣削，否则选择半径较大的刀具。为了使程序员更容易基于UG的表面分析功能进行编程，使用UG / OPENAPI接口开发了加工区域划分模块，以简化加工过程并在边界处生成边界曲线。

直角立铣刀轮廓的轮廓铣削：通常仅用于加工立面。在有倾斜角度的区域中，直角立铣刀的轮廓铣会留下划痕，因此通常不使用。

直角立铣刀沿坡度的仿形走刀加工：通常用于与水平面成较小角度且具有较大曲率半径的区域。

球刀沿坡度铣削仿形走刀加工：用于加工{ <  θ

球形铣刀的等高轮廓铣削：用于加工 θ<90°的区域。

结语

综上所述，在模具数控加工的研究中，首先考虑的问题之一是刀具和切削参数的选择。刀具选择是一个复杂的过程，它受到多种因素的影响。在精加工走刀方式的研究方面。本文通过分析在满足相同残留高度要求的前提下，模具型腔精加工中不同刀具不同走刀方式允许的切削宽度，给出不同区域效率最高的走刀方式。然后利用UG的曲面分析功能，开发了模具型腔精加工中加工区域划分模块，并以不同的颜色对不同区域进行标记，帮助工艺员进行数控编程，提高加工效率，降低了加工成本。

参考文献

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[4]王辉， 刘霞， 余松林，等. 基于 UG 的剃须刀刀头模具加工?[J]. 新技术新工艺， 2016， 000（001）：3-4，5.

王志富，1984.09，工程师，中国航发南方工业有限公司工模具分公司，主攻模、夹具设计制造及数控加工方面的研究。

杨国文 ，1983.7，工学硕士，湖南工贸技师学院

通用航空教研室主任

从事数控精密加工，在航空发动机机匣加工及薄壁件变形控制方面有深入研究。